JP2012182770A - 周波数共用無指向性アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２周波数帯域において良好な水平面内無指向性を持つ小型のアンテナ装置を提供する。
【解決手段】第１周波数帯域に適用する一対の第１コリニアアンテナ部１２と第１電力分配部１３とをプリント形成するとともに、長手軸線上を上端から下端に向かって延びる所定長の第１の切り込みを形成してなる第１誘電体基板１１と、第２周波数帯域に適用する一対の第２コリニアアンテナ部２２と第２電力分配部２３とをプリント形成するとともに、長手軸線上を下端から上端に向かって延びる所定長の第２の切り込みを形成してなる第２誘電体基板２１と、を備える。第１、第２誘電体基板１１，２１を第１、第２の切り込みを介して交差結合し、第１電力分配部１３を介して一対の第１コリニアアンテナ部１２を送受信動作させるとともに、第２電力分配部２３を介して一対の第２コリニアアンテナ部２２を送受信動作させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、陸上移動通信システム等における基地局用アンテナ装置として好適に使用することができる周波数共用無指向性アンテナ装置に関する。

移動通信システム等の基地局においては、従来から垂直偏波を送受信する水平面内無指向性アンテナ装置が実用されている。このようなアンテナ装置は、利得を増加させるために、アンテナ素子を多段配置した構造を採用することが多い。
また、近年における移動通信においては、複数の周波数帯域が利用される。この場合、個々の周波数帯域毎に専用のアンテナ装置を設置することは、基地局の小型化やコストの低減を図る上で不利である。従って、基地局用のアンテナ装置としては、周波数共用機能を有することが望ましい。

多段配置したアンテナ素子を有する周波数共用無指向性アンテナ装置は、例えば、特許文献１によって提案されている。このアンテナ装置は、垂直偏波を送受する２周波数共用ダイポールアンテナ素子を水平な四角面の四隅の位置にそれぞれ配した構成を有し、水平面内無指向性を示す。なお、上記各ダイポールアンテナ素子は、誘電体基板に貼着した金属箔（例えば、銅箔）によって形成されている。すなわち、いわゆるプリント配線技術を用いてプリント形成されている。

特開２００３−３２０３４号公報

しかしながら、特許文献１に係るアンテナ装置は、アンテナ素子が水平方向に配列することから、径方向形状が大型化するという問題を有する。なお、特許文献１には、上記４個の２周波数共用ダイポール放射素子の組を垂直方向に多段配列した構造のアンテナ装置も記載されている。この構造の場合、水平方向及び垂直方向に並列給電を行う給電系が必要であるため、構造が複雑になり、またコストも高くなる。

本発明は、上記のような従来のアンテナ装置の問題点に鑑みてなされたものであり、２周波数帯域において良好な水平面内無指向性を持つ小型かつ簡易な構造のアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、第１周波数帯域に適用する一対の第１コリニアアンテナ部と、それらのコリニアアンテナ部に接続される第１電力分配部とをプリント形成するとともに、長手軸線上を上端から下端に向かって延びる所定長の第１の切り込みを形成してなる第１誘電体基板と、第２周波数帯域に適用する一対の第２コリニアアンテナ部と、それらのコリニアアンテナ部に接続される第２電力分配部とをプリント形成するとともに、長手軸線上を下端から上端に向かって延びる所定長の第２の切り込みを形成してなる第２誘電体基板と、を備えている。
前記一対の第１コリニアアンテナ部及び前記一対の第２コリニアアンテナ部は、それぞれ前記第１誘電体基板の前記長手軸線及び前記第２誘電体基板の前記長手軸線を中心として対称に位置するように形成される。
前記第１、第２誘電体基板を前記第１、第２の切り込みを介して交差結合し、前記第１電力分配部を介して前記一対の第１コリニアアンテナ部を送受信動作させるとともに、前記第２電力分配部を介して前記一対の第２コリニアアンテナ部を送受信動作させる。

前記第１、第２電力分配部に、前記第１、第２周波数帯域についてのデュプレクサをそれぞれ接続すること、あるいは、前記第１、第２電力分配部に、前記第１、第２周波数帯域についての帯域通過フィルタをそれぞれ接続することができる。

必要に応じて、前記第１コリニアアンテナ部の素子導体の一方の側もしくは双方の側に無給電素子を併設すること、あるいは、前記第２コリニアアンテナ部の素子導体の一方の側もしくは双方の側に無給電素子を併設することができる。
また、必要に応じて、前記第１コリニアアンテナ部の素子導体の一方の側もしくは双方の側に無給電素子を併設し、前記第２コリニアアンテナ部の素子導体の一方の側もしくは双方の側に無給電素子を併設してもよい。

本発明によれば、少なくとも以下のような効果が得られる。
（１）良好な水平面内無指向性を持つ小型かつ簡易な構造のアンテナ装置を提供することができる。
（２）各第１コリニアアンテナ部の間隔及び素子導体幅を適宜調整することによって、第１周波数帯域についての水平面内指向性偏差を少なくすることができ、また、各第２コリニアアンテナ部の間隔及び素子導体幅を適宜調整することによって、第２周波数帯域についての水平面内指向性偏差を少なくすることができる。
（３）各周波数帯域についての垂直面内ビームチルトを異ならせる場合の対応が容易である。すなわち、垂直面内ビームチルトはコリニアアンテナ部の構成で決定されるので、垂直面内ビームチルトの異なる構成のコリニアアンテナ部を有する第１、第２誘電体基板を予め形成しておくことにより、それらを交差結合する操作のみで各周波数帯域についての垂直面内ビームチルトが相異するアンテナ装置を容易に実現することが可能である。

本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を示す斜視図である。 第１の誘電体基板に形成されたコリニアアンテナ部及び電力分配部の構成例を示す正面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ第１の誘電体基板の一方の面及び他方の面におけるコリニアアンテナ部及び電力分配部の構成図である。 第２の誘電体基板に形成されたコリニアアンテナ部及び電力分配部の構成例を示す正面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ第２の誘電体基板の一方の面及び他方の面におけるコリニアアンテナ部及び電力分配部の構成図である。 実施形態に係るアンテナ装置の第１の周波数についての水平面内指向性を示すグラフである。 実施形態に係るアンテナ装置の第２の周波数についての水平面内指向性を示すグラフである。 本発明に係るアンテナ装置の他の実施形態を示す斜視図である。 図８に係るアンテナ装置の平面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る周波数共用無指向性アンテナ装置の実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る周波数共用無指向性アンテナ装置は、２つのアンテナユニット１０，２０を組み合わせた構成を有する。
図２に示すように、アンテナユニット１０は、長尺の長方形状誘電体基板１１に形成した一対のコリニアアンテナ部１２，１２と電力分配部１３とを備えている。また、図４に示すように、アンテナユニット２０は、誘電体基板１１と同一長の誘電体基板２１に形成した一対のコリニアアンテナ部２２，２２と電力分配部２３とを備えている。

アンテナユニット１０におけるコリニアアンテナ部１２，１２と電力分配部１３は、誘電体基板１１に貼着された金属箔（例えば、銅箔）によって形成されている。すなわち、いわゆるプリント配線技術を用いてプリント形成されている。アンテナユニット２０におけるコリニアアンテナ部２２，２２と電力分配部２３も同様の手法を用いて形成されている。

本実施形態においては、一方の誘電体基板１１の幅が０．１０１λ１（λ１：第１周波数帯の中心周波数ｆ１（例えば、１．９０２ＧＨｚ）の波長）に設定され、他方の誘電体基板２１の幅が０．１３６λ２（λ２：第２周波数帯の中心周波数ｆ２（例えば、２．５６ＧＨｚ）の波長）に設定されている。
誘電体基板１１は、上端からその長手軸線上を下方に向かって延びる切り込み（スリット）１４を備え、一方、誘電体基板２１は、下端からその長手軸線上を上方に向かって延びる切り込み２４を備えている。上記切り込み１４，２４は、それらの長さの和が誘電体基板１１，２１の長さの和と等しくなるように形成されている。従って、誘電体基板１１，２１は、それらの面が互いに直交するように上記切り込み１４，２４を介して交差結合させることができる（図１参照）。
なお、誘電体基板１１に切り込み２４に対応する切り込みを設け、誘電体基板２１に切り込み１４に対応する切り込みを設けることも可能である。

図２において、コリニアアンテナ部１２，１２は、誘電体基板１１の長手軸線を挟んで対称に位置するように誘電体基板１１の一方と他方の側部にそれぞれ形成されている。本実施形態において、各コリニアアンテナ部１２，１２の間隔（相互の長手軸線のなす間隔）は０．０７９λ１に設定されている。以下、各コリニアアンテナ部１２，１２及び電力分配部１３の具体的な構成について説明する。

図３（ａ）に示すように、誘電体基板１１の一方の面における一方及び他方の側部には、それぞれ上部から下方に向かって直列接続された給電導体１２１ａ、素子導体１２２ａ、給電導体１２３ａ、素子導体１２４ａが形成され、また、上記一方の面における下端部には、分配導体１３１ａが形成されている。
素子導体１２２ａ，１２４ａの幅は、給電導体１２１ａ，１２３ａのそれよりも大きく設定（例えば０．０１６λ１）されている。給電導体１２１ａの長さは、約λｇ１／４（λｇ１：誘電体基板１１の誘電率の影響により短縮された周波数ｆ１の波長）に設定され、また、素子導体１２２ａ，１２４ａ及び給電導体１２３ａの長さは、約λｇ１／２に設定されている。
分配導体１３１ａは、誘電体基板１１の下端から上方に延びる基部と、この基部から分岐して左右の素子導体１２４ａの下端にそれぞれ接続された左右の分岐部とによって構成されている。

一方、図３（ｂ）に示すように、誘電体基板１１の他方の面における一方及び他方の側部には、それぞれ上部から下方に向かって直列接続された接地導体１２１ｂ、接続導体１２２ｂ、接地導体１２３ｂ、接続導体１２４ｂが形成され、上記他方の面における下端部には、接地導体１３１ｂが形成されている。接地導体１３１ｂは、誘電体基板１１の下端部全域を覆うように形成され、左右の接続導体１２４ｂの下端に接続されている。
接地導体１２１ｂ（１２３ｂ）および接続導体１２２ｂ（１２４ｂ）の幅は、それぞれ図３（ａ）に示す素子導体１２２ａ（１２４ａ）及び給電導体１２１ａ（１２３ａ）のそれと一致しているが、若干の相違は許容される。導体１２１ｂ〜１２４ｂ長さは、それぞれ導体１２２ａ〜１２４ａの長さ（約λｇ１／２）と一致している。

図２に示すように、導体１２１ａ〜１２４ａと導体１２１ｂ〜１２４ｂは、誘電体基板１１を挟んで互いに対向してコリニアアンテナ部１２を構成している。なお、対向した給電導体１２１ａと接地導体１２１ｂは給電マイクロストリップ線路を構成し、同様に、対向した給電導体１２３ａと接地導体１２３ｂは給電マイクロストリップ線路を構成している。また、分配導体１３１ａとその背部に位置された接地導体１３１ｂは、電力分配部１３を構成している。

次に、誘電体基板２１に形成された図４に示すコリニアアンテナ部２２，２２及び電力分配部２３の具体的な構成について説明する。
コリニアアンテナ部２２，２２は、誘電体基板２１の長手軸線を挟んで対称に位置するように該誘電体基板２１の一方と他方の側部にそれぞれ形成されている。本実施形態において、各コリニアアンテナ部２２，２２の間隔（相互の長手軸線のなす間隔）は０．１０６λ２に設定されている。

図５（ａ）に示すように、誘電体基板２１の一方の面における一方及び他方の側部には、それぞれ上部から下方に向かって直列接続された給電導体２２１ａ、素子導体２２２ａ、給電導体２２３ａ、素子導体２２４ａが形成され、また、上記一方の面における下端部には、分配導体２３１ａが形成されている。
素子導体２２２ａ，２２４ａの幅は、給電導体２２１ａ，２２３ａのそれよりも大きく設定（例えば０．０２１λ２）されている。給電導体２２１ａの長さは、約λｇ２／４（λｇ２：誘電体基板２１の誘電率の影響により短縮された周波数ｆ２の波長）に設定され、また、素子導体２２２ａ，２２４ａ及び給電導体２２３ａの長さは、約λｇ２／２に設定されている。
分配用導体２３１ａは、誘電体基板２１の下端から上方に延びる基部と、この基部から分岐して左右の素子導体２２４ａの下端にそれぞれ接続された左右の分岐部とによって構成されている。

一方、図５（ｂ）に示すように、誘電体基板２１の他方の面における一方及び他方の側部には、それぞれ上部から下方に向かって直列接続された接地導体２２１ｂ、接続導体２２２ｂ、接地導体２２３ｂ、接続導体２２４ｂが形成され、上記他方の面における下端部には、接地導体２３１ｂが形成されている。接地導体２３１ｂは、誘電体基板２１の下端部全域を覆うように形成され、左右の接続導体２２４ｂの下端に接続されている。
接地導体２２１ｂ（２２３ｂ）および接続導体２２２ｂ（２２４ｂ）の幅は、それぞれ図５（ａ）に示す素子導体２２２ａ（２２４ａ）及び給電導体２２１ａ（２２３ａ）のそれと一致しているが、若干の相違は許容される。導体２２１ｂ〜２２４ｂ長さは、それぞれ導体２２２ａ〜２２４ａの長さ（約λｇ２／２）と一致している。

図４に示すように、導体２２１ａ〜２２４ａと導体２２１ｂ〜２２４ｂは、誘電体基板２１を挟んで互いに対向してコリニアアンテナ部２２を構成している。なお、対向した給電導体２２１ａと接地導体２２１ｂは給電マイクロストリップ線路を構成し、同様に、対向した給電導体２２３ａと接地導体２２３ｂは給電マイクロストリップ線路を構成している。また、分配導体２３１ａとその背部に位置された接地導体２３１ｂは、電力分配部２３を構成している。

図１に示すように、誘電体基板１１，２１は、それらに形成された切り込み１４，２４を介して交差結合される。つまり、互いの面が直交するように組み合わされる。そして、電力分配部１３の下端及び電力分配部２３の下端には、それぞれデュプレクサ３１及びデュプレクサ３２がそれぞれ接続される。
アンテナユニット１０を用いて送信を行う場合には、デュプレクサ３１の入力端子に第１周波数帯（中心周波数ｆ１）に含まれる周波数ｆ１’の電力が入力され、これによって、各コリニアアンテナ部１２，１２から垂直偏波が放射される。また、アンテナユニット１０を用いて受信を行う場合には、デュプレクサ３１の出力端子から第１周波数帯に含まれる周波数ｆ１”の受信信号が出力される。なお、デュプレクサの構成は周知であるので、それについての説明を省略する。

図６は、ｆ１＝１．９０２ＧＨｚのときのアンテナユニット１０の水平面内指向性を示すグラフである。このグラフから明らかなように、アンテナユニット１０は良好な水平面内指向性を呈する。
アンテナユニット２０も第２周波数帯（中心周波数ｆ２）において同様に動作する。図７にｆ２＝２．５６ＧＨｚのときのアンテナユニット２０の水平面内指向性を示す。
なお、デュプレクサ３１，３２に代えて、異なる周波数帯域を持つ２つのフィルタ（第１周波数帯を通過させる帯域フィルタと第２周波数帯を通過させる帯域フィルタ）を使用することも可能である。
また、デュプレクサ３１あるいはそれに代える帯域フィルタを誘電体基板１１に形成し、デュプレクサ３２あるいはそれに代える帯域フィルタを誘電体基板２１に形成することも当然可能である。
更に上記実施形態では、コリニアアンテナ部２１，２２における構成要素の配列段数を４に設定しているが、この段数は必要に応じて任意に変更可能である。

上記実施形態に係るアンテナ装置によれば、２周波数帯域に適用することができ、しかも、アンテナユニット１０，２０がそれぞれ一対のコリニアアンテナ部を有するので、十分な利得を得ることができる。
また、前述したように、誘電体基板１１の幅を０．１０１λ１に設定し、誘電体基板２１の幅を０．１３６λ２に設定することができるので、すなわち、誘電体基板１１，２１の幅をそれぞれ約１６ｍｍに設定することができるので、内径約１６ｍｍの円筒レドームに収納可能な小型形状を実現することができる。なお、誘電体基板１１，２１の上記幅は、実施形態の構造上から決まる最小幅である。
更に、実施形態に係るアンテナ装置によれば、第１周波数帯と第２周波数帯において別々な垂直面内ビームチルトを容易に設定することが可能である。

図８は、本発明に係る周波数共用無指向性アンテナ装置の他の実施形態を示す。このアンテナ装置は、コリニアアンテナ部１２の各素子導体１２２ａに対して無給電素子４０を併設し、コリニアアンテナ部２２の各素子導体２２２ａに対して無給電素子５０を併設した点において図１に示すアンテナ装置と構成が異なる。この構成によれば、素子導体１２２ａ，２２２ａの幅等の影響による水平面内指向性偏差を少なくすることができる。
なお、この実施形態では、コリニアアンテナ部２１，２２の双方に対してそれぞれ無給電素子４０，５０を配設しているが、コリニアアンテナ部２１，２２のいずれか一方のみに配設することも可能である。
また、この実施形態では、図４に示すように、素子導体１２２ａ（２２２ａ）の前方側と後方側の双方に無給電素子４０（５０）を隣接配置しているが、いずれかの側のみに配設するようにしても良い。

１０，２０ アンテナユニット
１１，２１ 誘電体基板
１２，２２ コリニアアンテナ部
１３，２３ 電力分配部
１４，２４ 切り込み
３１，３２ デュプレクサ
１２１ａ，１２３ａ 給電導体
１２２ａ，１２４ａ 素子導体
１３１ａ 分配導体
１２１ｂ，１２３ｂ 接地導体
１２２ｂ，１２４ｂ 接続導体
１３１ｂ 接地導体
２２１ａ，２２３ａ 給電導体
２２２ａ，２２４ａ 素子導体
２３１ａ 分配導体
２２１ｂ，２２３ｂ 接地導体
２２２ｂ，２２４ｂ 接続導体
２３１ｂ 接地導体

Claims (6)

1. 第１周波数帯域に適用する一対の第１コリニアアンテナ部と、それらのコリニアアンテナ部に接続される第１電力分配部とをプリント形成するとともに、長手軸線上を上端から下端に向かって延びる所定長の第１の切り込みを形成してなる第１誘電体基板と、
   第２周波数帯域に適用する一対の第２コリニアアンテナ部と、それらのコリニアアンテナ部に接続される第２電力分配部とをプリント形成するとともに、長手軸線上を下端から上端に向かって延びる所定長の第２の切り込みを形成してなる第２誘電体基板と、を備え、
   前記一対の第１コリニアアンテナ部及び前記一対の第２コリニアアンテナ部は、それぞれ前記第１誘電体基板の前記長手軸線及び前記第２誘電体基板の前記長手軸線を中心として対称に位置するように形成され、
   前記第１、第２誘電体基板を前記第１、第２の切り込みを介して交差結合し、前記第１電力分配部を介して前記一対の第１コリニアアンテナ部を送受信動作させるとともに、前記第２電力分配部を介して前記一対の第２コリニアアンテナ部を送受信動作させるように構成したことを特徴とする周波数共用無指向性アンテナ装置。
2. 前記第１、第２電力分配部に、前記第１、第２周波数帯域についてのデュプレクサをそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１に記載の周波数共用無指向性アンテナ装置。
3. 前記第１、第２電力分配部に、前記第１、第２周波数帯域についての帯域通過フィルタをそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１に記載の周波数共用無指向性アンテナ装置。
4. 前記第１コリニアアンテナ部の素子導体の一方の側もしくは双方の側に無給電素子を併設したことを特徴とする請求項１に記載の周波数共用無指向性アンテナ装置。
5. 前記第２コリニアアンテナ部の素子導体の一方の側もしくは双方の側に無給電素子を併設したことを特徴とする請求項１に記載の周波数共用無指向性アンテナ装置。
6. 前記第１コリニアアンテナ部の素子導体の一方の側もしくは双方の側に無給電素子を併設し、前記第２コリニアアンテナ部の素子導体の一方の側もしくは双方の側に無給電素子を併設したことを特徴とする請求項１に記載の周波数共用無指向性アンテナ装置。
   

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